機(jī)場水泥混凝土道面脫空病害影響及處治對策

馮 磊，袁 捷，譚 悅

(1.青島國際機(jī)場集團(tuán)有限公司場道勤務(wù)部，山東青島 266108；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 200092)

0 前言

通過對大量機(jī)場道面現(xiàn)場調(diào)查測試表明，我國機(jī)場水泥混凝土道面普遍存在脫空病害。山東某機(jī)場2010年道面綜合評價顯示，該機(jī)場停機(jī)坪脫空率達(dá)到了51.7%～100%。上海某機(jī)場在2010年機(jī)場道面綜合評價顯示，該機(jī)場有3個區(qū)域道面脫空率超過了80%，另有3個區(qū)域道面脫空率超過50%。由于脫空位于道面以下，無法直接看到，且脫空病害短期內(nèi)對道面性能的影響也不大，故機(jī)場管理部門通常并不重視脫空病害，而脫空病害一旦發(fā)展到一定階段，會大大增加道面的荷載應(yīng)力，使道面出現(xiàn)斷板等病害。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對脫空問題研究較多。在脫空成因機(jī)理及判別方面，波特蘭水泥協(xié)會（PCA，1984）基于美國各州公路工作者協(xié)會（AASHO）道路試驗成果提出的沖刷損傷模型，該模型以板角撓度作為脫空的評價指標(biāo)[1]。鄧普西（Dempsey，1983）和福佑（Phu等，1986）應(yīng)用能量模型建立了沖刷與水?dāng)D出的速率、交通荷載和路面撓度之間的相互關(guān)系[2-3]。美國國家公路研究機(jī)構(gòu)（NCHRP，1990）提出了經(jīng)驗性的脫空判別模型[4]。

在脫空對路面/道面的影響方面，早在1939年，E.F.Kelley提出了局部脫空下的板角、板邊應(yīng)力經(jīng)驗公式[5]，1946年P(guān)ickett提出了考慮角隅傳荷和翹曲影響的板角最大應(yīng)力經(jīng)驗公式[6]等。在有限元方法廣泛應(yīng)用以后，國內(nèi)以姚祖康、唐伯明、劉伯瑩、談至明等為代表，對水泥路面脫空后應(yīng)力計算進(jìn)行了深入研究[7-13]。

2 脫空成因機(jī)理

脫空的成因可分為兩種，一種是由于基層細(xì)粒料被水帶到表面，在道面形成唧泥病害，而基層由于細(xì)粒料的缺失出現(xiàn)脫空。這種脫空通常出現(xiàn)在板底。另一種可能是由于基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降或變形，由于上層結(jié)構(gòu)無法完全跟隨變形而出現(xiàn)脫空。這種脫空當(dāng)基層為半剛性基層且較完整時，脫空出現(xiàn)在土基與基層之間，否則脫空出現(xiàn)板底。

對于第一種情況，形成脫空需要具備以下3個條件：

（1）存在地表水下滲通道，如接縫嵌縫料出現(xiàn)損壞，或存在未修補(bǔ)的貫穿裂縫；

（2）基層材料不耐沖刷；

（3）荷載作用。

在道面有積水時，地表水會沿接縫（裂縫）滲入基層。當(dāng)飛機(jī)荷載行駛通過時，會將接縫（裂縫）內(nèi)的水?dāng)D出，產(chǎn)生動水壓力，將縫內(nèi)的水抽出。如果基層材料（如水穩(wěn)基層）抗沖刷性能好，這種現(xiàn)象影響不大，但如果基層材料抗沖刷性能不好，那基層內(nèi)的細(xì)集料很容易通過水的抽吸作用沿接縫（裂縫）被帶到道面表面，從而形成“唧泥”現(xiàn)象。由于細(xì)集料的流失，板底就會出現(xiàn)“脫空”現(xiàn)象。圖1為該種脫空形成的示意圖。

圖1 板底脫空成因分析示意圖

這種脫空具有加速發(fā)展的特點(diǎn)，脫空一旦形成，隨著細(xì)集料的不斷流失，脫空程度會不斷加重。

3 脫空判別

機(jī)場常用的脫空判別方法為彎沉測試。測試設(shè)備為重型落錘式彎沉儀（High Weight Deflector，簡稱HWD），是一種機(jī)場水泥混凝土道面無損結(jié)構(gòu)測試的先進(jìn)設(shè)備，具有原位測試、速度快、不破壞道面結(jié)構(gòu)、檢測后不需修補(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)。該類設(shè)備不僅能夠提供多點(diǎn)彎沉（彎沉盆）信息，而且現(xiàn)場測試速度快，荷載級位調(diào)整方便，加載形式與輪載-道面相互作用形式較好地吻合。HWD彎沉測試的技術(shù)參數(shù)主要包括測試荷載等級、傳感器布設(shè)形式、承載板尺寸選擇、測點(diǎn)位置的布置等方面。HWD彎沉測試示意如圖2所示。

圖2 HWD彎沉測試示意圖

采用HWD對道面進(jìn)行彎沉測試時，通常需要測試同一板塊的板邊、板中、板角三個位置，其示意如圖3所示。通過“板邊彎沉/板中彎沉”、“板角彎沉/板中彎沉”的比值進(jìn)行脫空判定。根據(jù)我國《民用機(jī)場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T5024-2009）的規(guī)定，其標(biāo)準(zhǔn)如表1所列。

圖3 HWD測點(diǎn)布設(shè)示意圖

表1 水泥混凝土道面脫空狀況評定標(biāo)準(zhǔn)一覽表

4 脫空對道面的影響

脫空時板塊的受力模式如同懸臂結(jié)構(gòu)，因此，板塊在脫空狀態(tài)下受到飛機(jī)輪載作用時，板塊內(nèi)的彎拉應(yīng)力會顯著增大，且增大比率會隨著脫空程度的加大而加大，使道面結(jié)構(gòu)承載能力下降。因此，脫空容易導(dǎo)致板塊出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，降低道面的使用壽命。

為了分析脫空對板塊受力的影響程度，本文以有限元軟件ABAQUS為平臺，建立了5.00 m×5.00 m×0.44 m的板塊模型，水泥板彎拉模量取44GPa，基層頂面反應(yīng)模量為130 MN/m3，考慮板角脫空，共分析了2種脫空面積（2 m×2 m、1 m×1 m）、6種脫空程度（基層頂面反應(yīng)模量的折減系數(shù)分別為 1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0）共 12 種工況條件下板塊內(nèi)的最大主應(yīng)力。

以上參數(shù)為上海某機(jī)場的實(shí)際評價數(shù)據(jù)，圖4為脫空區(qū)域位置示意圖。計算荷載采用B777-300飛機(jī)的荷載參數(shù)，如表2所示，圖5為輪載作用位置示意圖。本文對脫空的模擬是通過對基層頂面反應(yīng)模量的折減來實(shí)現(xiàn)。

圖4 脫空區(qū)域示意圖

表2 B777-300的荷載參數(shù)表

計算結(jié)果如表3所列，圖6為部分工況的計算應(yīng)力云圖，圖7為12種工況計算結(jié)果的統(tǒng)計分析圖。

圖5 B777-300主起落架輪載作用位置（單位：m）

表3 脫空對道面荷載應(yīng)力的影響分析匯總表

從分析結(jié)果可以看出，脫空對道面的影響隨著脫空面積、脫空程度的增大而急劇增加。脫空區(qū)域2 m×2 m完全脫空條件下，板內(nèi)最大彎拉應(yīng)力增加251.16%，達(dá)到6.988 MPa，板塊會在B777-300飛機(jī)行駛通過時直接被壓斷。在脫空區(qū)域1 m×1 m完全脫空條件下，板內(nèi)最大彎拉應(yīng)力也會增加88.29%。雖然板塊不至于直接被壓斷，但也會大大減低道面的使用壽命，增大出現(xiàn)斷板、裂縫的可能性。

5 脫空病害的處治

對于脫空已引起的斷板時，可在面層修補(bǔ)時對附帶基層進(jìn)行處治。當(dāng)脫空尚未引起斷板時，只能通過注漿進(jìn)行處治。

自法國人查理斯貝里格尼（Charles Berigny）在1802年首次采用注漿技術(shù)修復(fù)被水流侵蝕的擋潮閘砂礫土地基以來，注漿技術(shù)已發(fā)展了二百多年，目前已廣泛應(yīng)用于各種工程建設(shè)，如土體加固、基礎(chǔ)處理、基坑處理、油井封堵等等，施工工藝已較為成熟。但針對不同的工程，注漿方案還需要制定配套的施工參數(shù)，主要有以下幾個方面。

5.1 布孔形式

注漿孔的布設(shè)是由板塊尺寸、漿液擴(kuò)散半徑等因素決定的，在大規(guī)模施工前應(yīng)通過一定的現(xiàn)場試驗來確定。圖8為常見的注漿孔5孔布設(shè)形式，當(dāng)漿液擴(kuò)散半徑較小時，還可采用8孔布設(shè)形式。對于二次注漿，為避免上次注漿殘留漿液影響到此次注漿的可注性，注漿孔應(yīng)偏離原注漿孔，如圖9所示。

圖6 不同脫空條件下板塊最大彎拉應(yīng)力計算云圖

圖7 不同脫空程度對板塊荷載應(yīng)力影響對比分析圖

圖8 典型注漿孔布設(shè)形式示意圖

圖9 二次注漿注漿孔布設(shè)形式示意圖

5.2 注漿深度

注漿深度對漿液的擴(kuò)散影響較大，建議按以下原則確定注漿深度：

當(dāng)脫空位于水泥板與基層之間，且基層整體性好（如半剛性基層）時，注漿深度宜為板下5 cm。

當(dāng)脫空位于水泥板與基層之間，且基層整體性差（如碎石基層）時，或當(dāng)脫空位于基層與土基之間時，注漿深度宜為基層以下5 cm，如有墊層時，宜深入墊層以下5 cm。

5.3 注漿材料

注漿材料要有較好的流動性，凝結(jié)后有較高的強(qiáng)度。當(dāng)基層孔隙率較大時，可采用常規(guī)漿液，建議配比為水泥∶水∶外摻劑=0.55∶1∶0.02，水泥標(biāo)號為425，外摻劑型號為SY2，主要作用是減水和快凝。當(dāng)基層孔隙率較小，或二次注漿時，為達(dá)到充分滲透、填充的效果，建議漿液采用超細(xì)水泥漿液。超細(xì)水泥漿液與化學(xué)漿液的注入性相似，最小可注入0.05 mm的縫隙，且結(jié)石強(qiáng)度高于化學(xué)注漿材料，對地下水和環(huán)境均不產(chǎn)生污染。超細(xì)水泥漿液齡期3 d的結(jié)石強(qiáng)度可達(dá)25.0 MPa以上，28 d的結(jié)石強(qiáng)度可達(dá)62.0 MPa以上，是一種性能非常好的注漿材料。但相對而言，材料的價格較貴。

5.4 注漿過程控制標(biāo)準(zhǔn)

要保證注漿效果，一定要根據(jù)實(shí)際工程制定嚴(yán)格的過程控制標(biāo)準(zhǔn)，主要是停止注漿的標(biāo)準(zhǔn)。建議采用“注漿壓力、板塊抬升量”雙控指標(biāo)。

最大注漿壓力建議不超過1.0 MPa，當(dāng)注漿過程中壓力突然增大至1.0 MPa時，建議暫時停止注漿，待10 min后再次注漿，當(dāng)壓力再次達(dá)到1.0 MPa后停止注漿。

板塊最大抬升量建議不超過3 mm。當(dāng)板塊出現(xiàn)初始抬升時要增加監(jiān)測頻率，確保抬升量不超過3 mm。

5.5 注漿效果評價

我國尚沒有注漿效果檢測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，通常只能通過過程控制來保證注漿效果。然而目前注漿施工隊伍水平參差不齊，為了更為直觀地評價注漿效果，本文建議采取HWD彎沉測試作為注漿效果評價手段。

在注漿效果前對注漿范圍內(nèi)板塊進(jìn)行HWD彎沉測試，當(dāng)注漿范圍較大時，可抽樣測試。測試時要對測試板塊進(jìn)行編號記錄，要做到彎沉數(shù)據(jù)與板塊編號一一對應(yīng)。在注漿后再對這些板塊進(jìn)行彎沉原位測試，將每塊板的前后測試彎沉數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析每塊板的彎沉值減少量，以此來評價注漿效果。

6 結(jié)語

（1）分析了機(jī)場水泥混凝土道面脫空形成的機(jī)理，總結(jié)了脫空形成了三大條件。

（2）以ABAQUS為計算平臺，分析了板底存在不同程度脫空后對板塊荷載應(yīng)力的影響。分析表明，當(dāng)脫空嚴(yán)重時，板塊內(nèi)最大彎拉應(yīng)力增幅超過250%。

（3）提出了注漿消除脫空的方法，并針對機(jī)場水泥混凝土道面的特點(diǎn)，提出了注漿孔布設(shè)形式、注漿深度、注漿漿液選擇、注漿過程控制標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定方法，并提出了注漿效果評價方法。

（4）下一步的研究主要有兩點(diǎn)，一是在脫空判定方法上做進(jìn)一步深入研究，目前的判別方法及標(biāo)準(zhǔn)上較為粗糙；二是在分析脫空對板塊荷載應(yīng)力影響時，可以考慮周邊板塊接縫傳荷的影響。

[1]PCA,Thickness Design of Concrete Highway and Street Pavements.Skokie,PCA,1984.

[2]Dempsey,B.J."Laboratory and Field Studies of Channeling and Pumping in Pavement Systems".Paper presented at PLARC Seminar,Paris,France,1983.

[3]Phu,N.C,J.P Christory and J.Ray.The Hydromechanics of Pumping in Concrete Pavements.Modeling and Prevention Pumping,Appendix I,Combatting Concrete Pavement Pumping：State-of-the-Art and Recommendarions,PLARC,Technical Committee 0n Concrete Roads,1986.

[4]NCHRP.Calibrated Mechanistic Structural Analysis Procedures for Pavement,University of Illinois at Urbana Champaign,1990.

[5]Kelly E F.Application of the results of research to the structural design of concrete pavements[J].Public Roads,1939,20(5):107.

[6]Pickett G.Concrete pavement design.appendix[R].Skorkie:Portland Cement Association,1946.

[7]姚祖康.水泥混凝土路面設(shè)計理論和方法[M].北京:人民交通出版社,2003.

[8]趙軍,唐伯明,談至明,等.基于彎沉指數(shù)的水泥混凝土路面板角脫空識別[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2006,34(3):335.

[9]周玉民,談至明,劉伯瑩.水泥混凝土路面脫空狀態(tài)下的荷載應(yīng)力[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2007,35(2):341.

[10]談至明,熊軍,朱晶.移動集中力作用下的局部脫空地基梁的振動[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,2007,24(1):137.

[11]談至明,劉伯瑩,唐伯明.水泥混凝土路面斷板的原因分析[J].公路,2005,12:63.

[12]唐伯明.剛性路面板脫空狀況的評定與分析[J].中國公路學(xué)報,1992,5(1)：40.

[13]譚悅，凌建明，袁捷，等.脫空對機(jī)場水泥混凝土道面荷載應(yīng)力的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2010,38(4):552.